Nieuwe technologie kan door gedachten in werking worden gesteld

De neurologen hebben een beduidende hersenenmachine interface (BMI) technologie ontwikkeld waar de streng gehandicapte mensen die zelfs één been of spier niet kunnen gebruiken nu een e-mail kunnen samenstellen en onafhankelijk verzenden en een TV in hun huizen in werking stellen. Zij gebruiken slechts hun gedachten om deze acties uit te voeren.

Dank aan het snelle tempo van onderzoek naar BMI, op een dag zullen personen met een handicap met een robotachtige arm en een hand kunnen werken die zich volgens hun geestelijke bevelen beweegt.

“Ons werk heeft getoond hoe belangrijk het leerproces is wanneer gebruik gemaakt wordt van hersenengecontroleerde apparaten,“ zegt Andrew Schwartz van de Universiteit van Pittsburgh. “Door het onderwerp toe te laten om de geproduceerde neurale activiteit adaptief opnieuw te coderen, worden de algemene prestaties van het apparaat dramatisch verhoogd.”

“Aangezien wij in dit werk zijn gevorderd, is het duidelijk dat het basisidee van het plan tijdens het leren zeer belangrijk is geworden en door de directe observatie van de neuronentransformaties kan worden gericht die tijdens deze fundamentele verwerking plaatsvinden,“ zegt Schwartz.

Onder de onderzoekinstellingen die bezig zijn met het onderzoek naar BMI leidt de Universiteit van Pittsburgh, die wetenschappers zijn bezig met het ontwikkelen van de technologie waarin zij slaagden om een langstaartaap een robotachtige arm geestelijk te controleren om stukken van fruit te voeden. De snelle en vlotte bewegingen van de robotachtige arm werden teweeggebracht door elektrosignalen die in de hersenen van de aap werden geproduceerd wanneer het dier dacht aan een actie.

In vorige studies ontwikkelde dit laboratorium de technologie om de motor corticale neurale activiteit van een langstaartaap te onttrekken wat het mogelijk maakt voor het dier om met zijn gedachten een robotachtige arm te controleren om voor voedseldoeleinden te gebruiken die in een 3D ruimte worden vastgesteld.

In de recentste studies van het laboratorium van Pittsburgh gebruikten de langstaartapen niet alleen een robotachtige arm om stukken van voedsel te nemen, maar konden ze ook de hand van het robotachtige arm geestelijk openen en sluiten. Enkel door te denken aan het fruit op te nemen en het naar zijn mond te brengen, voedde het dier zich.

De eigen arm en de hand van de aap bewogen zich niet terwijl hij de tweevinger tang aan het eind van het robotachtige arm manipuleerde. Het dier gebruikte zijn eigen zicht voor de nauwkeurigheid van de acties van het robotachtige arm wanneer het geestelijk de tang verplaatste binnen een halve centimeter van een stuk van fruit.

“De aap ontwikkelde heel wat vaardigheden wanneer hij dit fysieke apparaat gebruikte,“ zegt Meel Velliste. “Wij zijn tijdens het uitbreiden van dit type van controle tot een verfijndere pols en hand bewegingen gekomen voor de uitvoering van handige taken.“

Velliste en de andere leden van het onderzoeksteam van Pittsburgh wijzen erop dat het verlenen van vaardigheid en handigheid aan deze apparaten verlamde patiënten of mensen met een geamputeerde arm zal helpen om dagelijkse taken uit te voeren.

De dierlijke gedachten zonden elektrosignalen uit die door uiterst kleine elektroden werden geregistreerd die de wetenschappers in de motorschors van de aap hadden geïmplanteerd. Een computerdecoderend algoritme vertaalde de signalen in de robotachtige arm en van de bewegingen van de tang.

In een andere studie heeft een Universitaire School van Washington van onderzoeksteam van de Geneeskunde nieuwe informatie over een long-held theorie over de afzonderlijke functies en de verantwoordelijkheden van de linkerhersenen en de juiste hersenen geproduceerd. In het proces hebben de onderzoekers, die door Eric Leuthardt en zijn gediplomeerde studenten Kimberly Wisneski en Nick Anderson worden geleid, hun bevindingen op een nieuwe neuroprosthetic strategie toegepast om de rehabilitatie van slachtoffers van een beroerte en trauma te verbeteren die schade aan enerzijds de rechterhelft of linkerhelft van de hersenen hebben geleden.

“Het klassieke begrijpen van de hersenenfunctie heeft beweerd dat één hemisfeer of één partij van de hersenen, de arm en beenbeweging aan de tegenovergestelde kant van het lichaam kan controleren,“ legde Wisneski uit.

De nieuwe bevindingen van het team wezen erop dat als de linkerhemisfeer beschadigd is, de rechterkant van de hersenen nog elektrosignalen had die zouden kunnen worden gebruikt om arm- en beenbewegingen teweeg te brengen.

De wetenschappers registreerden de hersenenactiviteit van zes epilepsiepatiënten waarin de elektroden over de oppervlakte van hun hersenen om redenen werden geplaatst die niet met het doel van de studie werden verbonden. (De intracranial elektrodenseries werden geïmplanteerd op de oppervlakte van de hersenen van elke patiënt om van de hersenengebieden de plaats te bepalen die met de beslagleggingen van de patiënt werden geïmpliceerd.) “Deze toegang voorzag ons van inzicht dat niet kon worden verkregen door gebruik te maken van andere methodes,“ zegt Leuthardt.

Het team registreerde electrocorticografische signalen terwijl elke patiënt zijn/haar handen opende of sloot. Deze opnamen openbaarden hersenenactiviteit in de hemisfeer aan de zelfde kant van het lichaam waarin de beweging voorkwam. Deze zelfde zijsignalen kwamen bij een lagere frequentie voor dan de signalen die in de hemisfeer tegengesteld aan de bewegende kant van het lichaam worden uitgezonden.

Bovendien werden deze zelfde zijsignalen op ruimte verschillende gebieden van de hersenen en vroeger op tijd in vergelijking met de hemisferische signalen uitgezonden die voor tegenovergesteld zijhandbeweging worden geregistreerd.

“Dit bewijsmateriaal toont aan dat de hersenen informatie betreffende planning voor bewegingen van het zelfde opgeruimde lidmaat coderen en dat deze informatie op een bepaalde manier wordt gecodeerd die aan tegenovergestelde zijlidmaat bewegingen uniek is beantwoordt,“ zegt Wisneski.

Het team bepaalde daarna hoe deze resultaten zouden kunnen worden gebruikt om de rehabilitatie van slag en hersenenverwondingspatiënten te verbeteren. Hun nadruk: de interface van de hersenencomputer (BCI), een extern apparaat dat aan patiënten met ruggenmergverwonding en andere wanorde werd ontworpen die niet de hersenen beïnvloedden. BCI laat individuen toe om met hun gedachten alleen een cursor op het computerscherm, een rolstoel, of een robotachtig wapen te controleren.

Om beroerte en hersenenverwondingspatiënten ten goede te komen, zou BCI moeten worden aangepast om signalen van slechts één kant van de hersenen te antwoorden.

“Deze patiënten toestaan om van het gebruik van een hersenencomputer interface, signalen te profiteren voor controle voor twee kanten van het lichaam moet van de enige goed werkende hemisfeer worden verworven,“ zegt Leuthardt. “In dit paradigma, één kant van het lichaam – de kant tegengesteld aan de onaangetaste helft van de hersenen – door normale fysiologische wegen, en de andere kant van het lichaam worden gecontroleerd – de kant die door de beroerte en aan de zelfde kant wordt beïnvloed zoals de onaangetaste hemisfeer –door neuroprosthetische hulp worden gecontroleerd gebruikend dezelfde zijsignalen van de onbeschadigde hemisfeer.“

Andere wetenschappers bestuderen het fenomeen waarin de neuronen in de motorschors van de hersenen actief zijn, niet alleen wanneer een individu een been buigt maar ook wanneer hij of zij andere mensen waarneemt terwijl zij hun benen bewegen. Dit neurale mechanisme kan de ontwikkeling van ingeboren vaardigheden helpen verklaren: zoals spraak en nieuwe motorvaardigheden zoals een golfschommeling.

De gediplomeerde student Dennis Tkach en de collega's bij Universiteit van Chicago hopen om dit neurale mechanisme te wijzigen om BMI systemen voor gebruik voor mensen die door een ruggenmergverwonding of verwant trauma verlamd zijn. Momenteel hangt BMI, die van wiskundige kaarten functioneert, af die de activiteit van de hersenencel met de actie verbinden – bijvoorbeeld: arm of beenbeweging – dat het systeem wordt ontworpen om te vervangen.

Tkach zegt dat het fenomeen van overeenstemmende neurale activiteit de wiskundige overzichten van deze verlamde patiënten kan bieden. “Het bestaan van deze neuronen biedt de middelen om deze afbeelding tot stand te brengen door neurale activiteit van de patiënt met een actie in verband te brengen met een actie die door die patiënt wordt waargenomen,“ zegt hij. “De neurale activiteit is overeenstemmend omdat de manier dat de neuronenbrand tijdens observatie van vertrouwde actie hetzelfde is als de manier wanneer het individu dezelfde actie uitvoert.“

De universiteit van Chicago, die met langstaartapen werd geleid, was de eerste om een neuraal systeem te analyseren dat overeenstemmende activiteit met beweging op een eencellig niveau in de primaire motorschors toonde.

De apen werden opgeleid om een videotaak in een tweedimensionale, horizontale werkruimte uit te voeren die voor hen wordt gevestigd. Zij leidden een cirkel cursor aan een vierkant doel. Zowel werden de cursor als het doel ontworpen op de werkruimte. De dieren controleerden de cursor door een exoskeletal robotarm te bewegen waarin hun actieve arm rustte.

Zij werden toen opgeleid om te ontspannen en de taak die zij net hadden uitgevoerd opnieuw te bekijken. Tijdens de playback, zagen de apen één van beide of zowel het doel als de cursor op het scherm.

“Wij varieerden het zicht van de videotaakcomponenten in een poging om beter inzicht te verkrijgen van wat neurale congruency tussen observatie en actie vergemakkelijkt,“ zegt Tkach. “De studie toonde aan dat de aanwezigheid van het doel van een actie een groter effect op de sterkte van deze overeenstemming draagt, terwijl de observatie van de motie aan dit doel minimaal belang draagt.“

Dit resultaat benadrukte het belang van het doel zoals facilitator van deze soortgelijke actie neurale reactie, zegt Tkach.

De hersencel activiteiten werden geregistreerd van gebieden met 100 elektroden die chirurgisch in de motor corticale gebieden van de apen worden geïmplanteerd. Wegens deze series, kon Tkach gelijktijdige neurale activiteitengegevens uit een bevolking van enige cellen samen met een meer globaal neuraal signaal verkrijgen. Als hij de gegevens analyseerde, merkte hij op dat de activiteitenpatronen van de neuronen tijdens de observatieperiode hoogstens correleerden met de activiteitenpatronen van de cellen toen het dier zijn rechterarm gebruikte om de cursor te leiden.

“Onze resultaten brengen ons ertoe om te geloven dat bij een observatie van een vertrouwde actie de apen per ongeluk een motorbevel produceren dat zeer gelijkaardig is, dan zou voorkomen wanneer het dier het gedrag moest uitvoeren,“ zegt Tkach. De overeenstemming van dit motor bevel aan daadwerkelijk één was geen alles-of-niets fenomeen maar in plaats daarvan overspande een continuüm dat op de componenten van de waargenomen actie contingent aanwezig was.

In ander werk zijn de wetenschappers van het Wadsworth Centrum in Albany, N.Y. erin geslaagd het ontwikkelen van een BCI voor mensen die streng gehandicapt zijn om hun pc te gebruiken. Bijvoorbeeld, konden zij een e-mail verzenden en het licht in hun huis uit te doen of de televisie uit te zetten. In de toekomst zullen zelfs nog meer milieucontroleopties beschikbaar zijn, zegt Eric Sellers.

Het Wadsworth Centrum liet het BCI systeem een wetenschapper met geavanceerde Amyotrofische Laterale Sclerose (ALS) toe om per e-mail met zijn onderzoeksteam te communiceren. “Het heeft hem toegestaan een hoogst succesvol NIH-gefinancieerd medisch onderzoeksprogramma blijven te leiden,“ zegt Sellers. “De aanvankelijke resultaten wijzen erop dat BCI zonder dichte technische onoplettendheid kan functioneren en communicatie capaciteit en levenskwaliteit kan verbeteren. Dit aanvankelijke succes stelt voor dat een BCI systeem thuis van praktische waarde voor mensen met strenge motorhandicaps kan zijn en dat mantelzorgers zonder speciale deskundigheid kunnen leren om het te steunen.“

Vijf streng gehandicapten hebben aan het onderzoeksprogramma van Wadsworth deelgenomen dat het BCI systeem van het centrum evalueert. De eerste deelnemer, de 49 jaar oude wetenschapper met ALS, heeft om het even welke spieren in zijn lichaam behalve zijn ogen niet kunnen bewegen. Maximaal vijf tot zeven uur elke dag sinds februari 2006, heeft hij een eenvoudige elektrode kapje op zijn hoofdhuid gedragen die de electro-activiteit opneemt die door zijn hersenen wordt geproduceerd. De hoofdhuid registreerde electro-encephalographic (EEG, of hersenengolf) activiteit bij acht hoodhuid plaatsen.

De hersenengolven van de gebruiker werden vertaald in gesimuleerde aanslagen. De software die door Wadsworth wordt ontwikkeld, stelde rijen en kolommen van een 72 element, 8" x 9" matrix voor die in willekeurige orde opvlamde terwijl de gebruiker aandacht aan het element besteedde dat hij of zij wilde selecteren. De software erkende dat element en voerde de aangewezen aanslag uit. Met dit ontwerp kon de patiënt het volledige toetsenbord gebruiken.

De verkopers zeggen dat mantelzorgers en de familieleden leerden om de elektroden kap op de hoofdhuid van patiënten te plaatsen, de software toelaten, en over het algemeen het systeem handhaven, dat de onderzoekers via gegevens wekelijks overbracht en controleerden van de huizen van patiënten naar het laboratorium. Tot op heden hebben een totaal van vijf mensen met ALS het systeem van Wadsworth in hun huizen gebruikt.

Bovendien heeft het team van het Wadsworth Centrum protocollen in het laboratorium getest die voordeel uit de functionaliteit van BCI halen voor mensen met een beperkte oogmobiliteit, slechte visuele scherpte uitbreiden of moeilijkheid met een starende blik, zoals de strenge motorwanorde die kunnen voorkomen bij ALS, hersenstam beroerte of hersenverlamming. Voor deze individuen hebben de wetenschappers een BCI systeem ontwikkeld dat eerder auditieve stimuli gebruikt dan visuele.

In het auditieve BCI systeem worden de rijen en de kolommen van een 6" x 6" matrix van 36 letters en getallen vertegenwoordigd door zes milieugeluiden. Voor elke selectie besteedde de gebruiker aandacht aan het geluid dat de kolom of de rij vertegenwoordigt die de gewenste keus bevatten. Tot zover hebben de meeste mensen die dit auditieve systeem in het laboratorium testten, hebben het met voldoende nauwkeurigheid gebruikt om efficiënte verrichting te steunen.

De onderzoekers hebben ook een BCI systeem ontwikkeld dat sensomotorische ritmen (SMRs) gebruikt, schommelingen in EEG registreerde van de hoofdhuid over de sensomotorische schors. SMRs verstrekte eenvoudige communicatie mogelijkheden en de mensen leerden om SMRs te gebruiken om een computercursor in één of twee afmetingen te controleren.

“Life is a fatal complaint, and an eminently contagious one.” Oliver Wendell Holmes

Vertaling: Berdien Geys